基于ALE的充气式海上围栏系统气囊单元优化设计

针对充气式海上围栏系统的气囊单元选型，在单层单气室气囊的基础上提出单层多气室气囊、双层多气室气囊两种改进型，建立静水海域中小艇以10、20、30 m/s的初速度垂直撞击气囊中部3种典型拦截场景.基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法，应用有限元软件LS-DYNA进行数值模拟，通过小艇的最大碰撞力、最大反向加速度、单元失效比等数据，分析单层单气室气囊、单层多气室气囊、双层多气室气囊3种气囊单元对来袭小艇的拦截效果，发现双层多气室气囊的拦截能力最强.借助正交试验进一步优化双层多气室气囊的设计参数.通过优化后的结果发现，优化后的双层多气室气囊的最大碰撞力相比原设计方案提高了9%,显著提高了气囊的拦截能力.     

浮式柔性网阻拦系统对冲击小艇拦截性能分析

浮式柔性网阻拦系统作为一种物理防护设施,对舰船、港口设施和岛礁建设的安全保障发挥着至关重要的作用.阻拦网系统对冲击小艇的拦截过程是一种较为复杂的非线性瞬态响应过程,在小艇高速冲击防护单元时,构件局部会出现撕裂、变形等破坏和失效形式.为对浮式柔性网阻拦系统的拦截性能和结构完整性进行研究,基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Eule, ALE)算法和对称罚函数接触算法,使用LS-DYNA软件对阻拦网系统拦截高速小艇的动态过程进行数值模拟.计算得到了阻拦网在冲击过程中结构变形破坏、能量转化、网体受力以及防护单元撞击深度等特征.同时考虑了小艇不同碰撞角度和碰撞高度对防护单元拦截效果的影响,分析总结出相应的变化规律.研究工作可为浮式柔性网阻拦系统优化设计和安装部署提供一定参考.     

单桩基础海上风机受船撞击损伤和动力响应分析

随着海上风机在服役期内被船舶撞击风险提高,运用LS-DYNA软件进行了5 000t船舶以2m·s-1速度撞击单桩基础海上风机的数值仿真.提出面积受损率描述海上风机单桩基础的受损程度,分析了风机塔架易损位置的位移、加速度响应及剪力.结果显示:船舶正撞风机以塑性碰撞为主;面积受损率能合理反映单桩基础在不同质量、速度、碰撞角度船舶撞击下的受损程度,其与船舶动能具有一一对应关系;风机塔架位移响应随塔架高度增加而增强,加速度响应却减弱;塔架顶部剪力最大值同底部一样均很大,所以加强塔架顶部连接同加强底部连接一样重要.     

动能拦截器对子母弹头毁伤行为数值模拟

采用数值模拟方法对直接碰撞动能拦截器毁伤子母式化学有效载荷行为进行了数值模拟.结果表明,子母式化学有效载荷毁伤效果显著受碰撞位置和碰撞角影响,碰撞位置为弹头几何中心或两层子弹分界面时,子弹毁伤率明显提高.碰撞角存在最佳范围,且随碰撞位置的不同而变化.撞击子母弹前部,小角度情况下毁伤效果较好,而中部和后部,则在垂直撞击情况下毁伤效果较好.基于数值模拟结果,获得了碰撞角和碰撞部位对毁伤效果的影响规律,为中段动能反导毁伤评估、选择合理的拦截方式和动能拦截优化设计提供了依据.      

爆炸碎片撞击圆柱薄壁储罐的有限元模拟分析

爆炸所产生的碎片会对周围设施及装置安全造成极大的威胁,为定量研究撞击对结构稳定性及结构强度的影响,采用LSDYNA软件,对爆炸碎片撞击下的圆柱薄壁储罐动力学响应进行了数值模拟研究.结果表明,随着碎片撞击速度、横截面积的增加及撞击角度的减少,储罐变得越来越不稳定.随着碎片撞击速度、横截面积的增加及碎片密度的减小,储罐结构强度逐渐失效.碎片撞击速度相同时,立方体碎片的撞击对储罐稳定性和结构强度的影响大于圆柱形碎片.碎片撞击角度为10°时,合成加速度最大,为115 m/s2,此时储罐强度损失最大,导致储罐失效.碎片密度对储罐结构稳定性的影响可忽略不计.     

单圆柱气囊缓冲性能探讨

基于有限元法和控制体积法建立了圆柱形气囊缓冲系统的有限元模型.以着陆速度6.7m/s、高2m、直径1 m的圆柱形气囊为例,利用LS-DYNA软件,计算空投设备着陆过程中的缓冲速度和加速度,并对影响气囊缓冲性能的排气孔开口大小、排气阀门值及气囊初始内压进行了分析.研究发现:改变气囊的排气孔开口大小和排气阀门值可以使空投设备的最大过载降至最小;在不超过排气阀门值的范围内,增大气囊的初始内压可以有效地提高气囊的缓冲性能.     

不同拦石槽参数落石运动轨迹分析与拦石槽优化设计

近年来,我国山区建设加速发展,落石灾害频发,研究落石的运动轨迹及相关运动参数(包括速度、动能等),对落石灾害的有效防治能够起到积极的作用.本文对落石运动计算进行了假定,通过优化拦石槽槽底铺设材质,运用落石计算分析软件分别分析了几种情况下的落石运动轨迹及相关运动参数.分析结果表明,若不采取拦截措施,落石将会造成重大灾害;当拦石槽底为岩基时,落石撞击防护网时的速度为34.4 m/s、动能为2 956.75 k J、撞击点高度为18.89 m,均超出了防护网的拦截能力;当拦石槽底为粗砾块石时,落石撞击防护网时的速度为14.8 m/s、动能为544.9 k J、撞击点高度为2.76 m,速度和动能均在拦截范围之内但撞击点略高;当拦石槽底为岩屑时,落石将停止在上层拦石槽的边缘,此方案能达到拦截目的;当拦石槽底为土层时,落石将停在上层拦石槽内能量被松散土层吸收转化为其他形式的能量,此方案亦可行,但山区取土困难将增加施工难度.     

装配式UHPC防船撞耗能装置的性能

提出一种新型装配式超高性能混凝土(UHPC)防船撞耗能装置。该装置由模块化生产的独立UHPC分箱组成,各分箱通过高强螺栓进行连接;采用非线性显式动力分析程序ANSYS/LS-DYNA对该防撞装置的性能进行分析与研究。研究结果表明:这种防撞装置可以显著减小撞击力并延长船桥碰撞时间,在1,3和5 m/s这3种不同撞击速度下,最大撞击力分别降低19.00%,39.17%和33.15%,撞击持续时间分别延长47.68%,132.61%和168.89%;当撞击速度为5 m/s时,船桥碰撞产生的撞击力为31.1 MN,超过桥墩设计抗力,而防撞装置的存在使最大撞击力下降到非破坏性水平20.79 MN。     

活性破片引爆屏蔽装药机理研究

采用弹道实验对活性破片引爆屏蔽装药作用行为进行研究,且与同质量钨合金破片引爆能力进行对比,并基于AUTODYN-2D平台对破片冲击起爆屏蔽装药行为展开数值模拟研究,通过数值模拟与实验结果的对比得到活性破片引爆屏蔽装药机理.结果表明,10g活性破片在1 287m/s以上碰撞速度下,能可靠引爆设有10mm厚LY12硬铝或6mm厚A3钢面板的注装B炸药,而同质量钨合金破片在1 527m/s碰撞速度下,只能造成屏蔽装药碎裂而不能将其引爆.活性破片撞击金属面板后,自身在装药内部发生的剧烈化学反应是其引爆装药的主控机制,这显著降低了破片引爆屏蔽装药所需的动能.     

中庭类建筑火灾烟气流动的数值模拟

火灾场景烟气流动与控制数值模拟是性能化消防设计的关键。借助Fluent软件,考虑烟气产生量、烟气排放量两因素,设计两种中庭类建筑火灾场景,并建立数值模型。模型边界条件为:环境温度20℃,排烟口速度分别为15.741、11.111 m/s,补风口速度1.107 m/s。模拟结果表明:在火灾发生300、900 s时,两种场景在6 m处的温度场小于60℃,CO质量分数小于0.15%;900 s时烟层沉降高度分别为14.0和11.5 m,三者均符合性能化评定标准。该研究对中庭烟气控制系统的工程设计具有实用价值。     

基于ABAQUS有限元仿真的车辆碰撞护栏动力响应

当前基于车辆碰撞护栏的研究多以单一车型或单一碰撞位置为研究对象,侧重护栏结构或参数优化,较少探寻多车型多碰撞位置条件下护栏所受冲击而产生的动力响应规律。以国内常用的3mm厚波形梁护栏及三种车型(1.5t小型客车、10t中型客车、10t中型货车)为研究对象,基于ABAQUS有限元仿真软件,在三种车型及两个不同撞击点的情况下,分析护栏冲击加速度、护栏横向最大位移、护栏应力等变化动力响应指标。研究结果表明,不同车型撞击下护栏冲击加速度响应具有明显差异,10t车型撞击下护栏所受的最大冲击加速度显著高于1.5t小客车,可通过护栏加速度值判别碰撞事故车辆类型及危险程度;在10t车型不同位置撞击下,护栏的最大横向位移相差50%,最大位移均超过1m,最严重情况达1.35m,针对大型车辆通行率较高路段,护栏至路侧外边缘应留有1m-1.5m安全距离;不同车型碰撞下护栏受损跨数不同,1.5t车型碰撞下护栏应力最大值247Mpa,仅使护栏达到弹性变形阶段,护栏仍具有安全防护能力;10t车型碰撞下护栏应力最大值329Mpa,使碰撞点及前方护栏发生塑性形变,完全丧失防护能力,需及时对碰撞点前后跨数护栏进行完整更换,保证道路护栏处于完整防护能力水平。     

非通航孔桥防船撞拦截系统的研究概述与实例分析

非通航孔桥抗冲击能力较差,抵御船舶撞击能力较弱,易造成桥梁结构失效。目前,相对于非通航孔桥墩,通航孔桥墩设计了各种类型的防船撞装置,并应用于众多桥梁结构上。然而,非通航孔桥按照通航孔标准进行防撞设计是不现实的。近年来,非通航孔拦截系统的研究工作较少,对现有几种不同类型的拦截系统进行分析,对比工作原理、适用条件等,为今后非通航孔桥拦截系统的工程应用提供参考依据。以宁波舟山港非通航孔桥为背景,结合航区环境、经济因素等,采用消能重力锚自动下落式浮基高架拦截系统。通过能量法进行消能分析,有限元软件ANSYS/LS-dyna进行船舶撞击拦截系统动态模拟,结果显示该拦截系统可有效拦截船舶。     

液固高速撞击时材料表面损伤的数值模拟

为了研究液固撞击的机理,采用光滑粒子流体动力学方法（SPH）与有限单元法（FEM）建立了考虑流固耦合效应的高速液固撞击数值模型,详细分析了直径为2mm、撞击速度为1000m／s的液滴和射流对有机玻璃（PMMA）的三维撞击和破坏状况．分析表明：射流与液滴在撞击初始时刻的前缘变形和内部压力分布几乎是完全相同的;液滴撞击固体的最大压力值出现在0．20μs时,但此时材料内部最大等效应力只有104MPa,材料还不足以发生破坏;产生于液固撞击瞬时后0．32μs、速度高达2925m／s的侧向射流是使固体表面产生破坏的主要原因,因此撞击最初的破坏位于以撞击中心为圆心的一个圆环区域处．所得材料表面损伤情况与Brunton的实验数据吻合良好,证明了数值模型的可行性和精确性．     

特高压输电导线直流电场下过冷雨滴碰撞系数

在早春或初冬,过冷雨滴撞击导线表面结冰、进而易于诱发导线舞动。对碰撞系数或导线覆冰的研究主要集中在风速、雨滴大小和导线直径等关键参数上,鲜见涉及电场作用的讨论。为了阐明直流电场对输电线路碰撞系数的影响,提出了雨滴质量流量的计算公式,并用Euler-Lagrange方法对雨滴撞击导线表面的过程进行了数值计算。利用Fluent软件分析了电场强度、雨滴电荷密度、导线截面形状、风速等对碰撞系数的影响。结果表明,碰撞系数随电场强度的增加而减小。当电场强度从0kV/cm增加到66.7kV/cm时,碰撞系数降低约33%。由于带电导线与雨滴之间会产生排斥作用,部分雨滴远离导线,导致碰撞系数降低。真实绞线在无电场作用下的碰撞系数略小于简化圆形截面的碰撞系数。在直流电场作用下,当风速达到8m/s时,导线的碰撞系数随风速的增大而减小。超过该阈值后,碰撞系数基本保持不变。     

轿车-自行车碰撞事故再现及仿真试验

通过数值模拟方法对某一真实车-自行车碰撞事故案例建立车辆及人员的数值模型,人体损伤仿真结果与法医勘验结果吻合,验证了该模型的可靠性.以该模型为基础,对不同速度及不同撞击位置情况下的车-自行车碰撞虚拟试验进行计算,探讨了不同情况下人体抛距、头部最大加速度及小腿最大受力等信息的规律性.数值模拟技术与法医勘验工作相结合将为交通事故鉴定提供科学的理论依据和数值参考.     

应变率敏感性对船体结构碰撞性能的影响

采用Cowper-Symonds本构关系,运用非线性动态响应分析程序MSC/DYTRAN对某集装箱船双层舷侧结构的碰撞进行了系列计算,研究了材料应变率敏感性对船体结构碰撞性能的影响.结果表明,在2m/s以上的碰撞速度下,应变率敏感性使船用钢材的屈服应力提高了近50%,而内壳破裂时双层舷侧结构的吸能几乎提高1倍,但碰撞中构件的损伤模式和失效次序却没有改变.因此,在将屈服应力适当增加后,仍可将准静态方法用于船舶碰撞分析.     

基于模型试验和数值模拟方法的深吃水立柱式平台碰撞特性

针对深吃水立柱式平台存在遭受船舶撞击的可能性,从外部机理和内部机理两方面进行碰撞特性的研究.外部机理的研究采用水池模型试验方法,研究驳船正向撞击锚泊在1.5km水深处的立柱式平台的碰撞特性.内部机理的研究采用非线性数值模拟方法,模拟刚性球鼻首撞击立柱式平台的场景.外部机理研究发现,平台的最大水平运动幅度、最大纵摇角和最大系泊力都与撞击船初始速度基本成线性关系.系泊系统主要体现其弹性特点,所承受的载荷小于其破断力.内部机理研究发现,撞击能量主要被双壳结构的外围构件所吸收,双壳结构设计方式能够有效地保护月池内部设施.     

PTFE/Al活性破片碰撞三层间隔靶冲击响应行为

为研究PTFE/Al活性破片多次碰撞下冲击响应行为,开展了活性破片碰撞三层间隔铝靶实验并采用包含自定义状态方程的数值方法进行模拟,定量分析了活性破片冲击激活反应行为的时空分布与毁伤效应.结果表明,数值模拟中活性破片反应与空间分布情况与实验结果具有较好一致性,活性破片反应空间分布对中靶毁伤效果影响较大.中靶厚3.0 mm时,各碰撞速度下活性破片均主要于中靶前方发生反应;中靶的穿孔面积与隆起范围随着碰撞速度增加而增大,且靶板隆起范围远大于穿孔面积.中靶厚1.5 mm时,碰撞速度小于等于1 100 m/s时活性破片主要于中靶后方发生反应,碰撞速度提升至1 300 m/s后破片的主要反应位置转移至中靶前方;随着碰撞速度增加,中靶的穿孔面积呈先增大后减小趋势,隆起范围不断增加.     

落石冲击砂土-EPE-棚洞顶板的精细化动力响应模拟

落石灾害是我国三大地质灾害之一,为了更有效地进行边坡落石防护,基于LS-DYNA显式计算软件依次构建了“砂土-顶板“”砂土-EPE-顶板”三维计算模型,定性研究了各分部结构冲击应力分布规律,定量计算了顶板腹部正中单元、腹部中轴线单元的应力与位移.探究了设置EPE垫层的厚度、型号敏感性分析,揭示了落石、砂垫层、EPE垫层的能量分布特征.研究结果表明：EPE垫层具备良好的“阻滞应力传播”特性,14 m/s冲击速度下,添加0.4 m厚EPE垫层,落石峰值加速度降幅可达27.13%,速度衰减至0所需时间约由0.04 s增至0.06 s,最大冲击位移约由0.3 m增至0.4 m.顶板峰值应力由2.389 MPa降至0.893 MPa,降幅达62.62%,峰值位移由0.391 mm降至0.166 mm.缓冲效果随EPE厚度增加而逐步放缓,EPE设置厚度以0.4～0.8 m为宜,并应结合现场情况选取强度适宜的EPE型号,数值模拟与实验结果一致性较好.添加EPE垫层后,落石内能降低,动能衰减时间延长.砂垫层动能增加内能降低,EPE动能随其厚度减小而逐渐降低,内能逐步升高.     

爆炸压涂碰撞速度对铜涂层性能影响研究

研究了碰撞速度对爆炸压涂铜涂层性能的影响,首先利用SPH无网格法模拟了爆轰驱动飞板的加速过程,计算出了飞板碰撞速度-炸高曲线.然后,在三种碰撞速度下进行了铜粉-铜板爆炸压涂实验,碰撞速度分别为700 m/s、900 m/s和1 100 m/s.通过对试样进行宏观观察、光学显微观察和显微硬度测试,得出碰撞速度为900 m/s时铜涂层的质量最佳.其铜涂层由8层颗粒组成,厚度达到300 μm,显微硬度为114HV,接近冷轧铜板的显微硬度.